(57)【要約】【課題】  配線基板に内蔵でき、配線基板に搭載されるＣＰＵ等の半導体チップの近くに配置することが可能で、且つ固体電解質として導電性高分子を使用する場合にも簡単に製造するのが可能な、薄型の固体電解キャパシタとその製造方法を提供すること。【解決手段】  片面に電極層１４、他面に当該電極層１４に接続する導体層１７を有し、電極層１４を外側に向けて対向し且つ結合部材２１ａにより互いに結合された一対の絶縁基材２５、２６と、これらの絶縁基材２５、２６の間に配置された固体電解質層２８とを含み、一対の絶縁基材２５、２６の導体層１７のうちの少なくとも一方のものと固体電解質層２８との間に誘電体層１７ａの存在する固体電解キャパシタ３０とする。【選択図】      図１（ｋ）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面に電極層、他面に当該電極層に接続する導体層を有し、電極層を外側に向けて対向し且つ結合部材により互いに結合された一対の絶縁基材と、これらの絶縁基材の間に配置された固体電解質層とを含み、一対の絶縁基材の導体層のうちの少なくとも一方のものと固体電解質層との間に誘電体層の存在することを特徴とする固体電解キャパシタ。
【請求項２】
前記固体電解質が導電性高分子である、請求項１記載の固体電解キャパシタ。
【請求項３】
前記導電性高分子がポリピロール、ポリチオフェン又はポリアニリンである、請求項２記載の固体電解キャパシタ。
【請求項４】
前記導体層の材料がＡｌ又はＴａであり、前記誘電体層が当該導体層材料の陽極酸化で形成されている、請求項１から３までのいずれか一つに記載の固体電解キャパシタ。
【請求項５】
前記絶縁基材が表面に絶縁処理を施したシリコン製、又はガラス製である、請求項１から４までのいずれか一つに記載の固体電解キャパシタ。
【請求項６】
片面に電極層、他面に当該電極層に接続する導体層を有し、電極層を外側に向けて対向し且つ結合部材により互いに結合された一対の絶縁基材と、これらの絶縁基材の間に配置された固体電解質層とを含み、一対の絶縁基材の導体層のうちの少なくとも一方のものと固体電解質層との間に誘電体層の存在する固体電解キャパシタを製造する方法であって、
（１）貫通孔を備えた絶縁材料の基材の片面に電極層を形成すること、当該基材の他面に、後に形成する結合部材用のパッドを含むパターン化した導体層を形成すること、このパターン化した導体層のパッド上に結合部材形成用の材料を被着すること、当該パターン化した導体層のうちの、少なくとも上記パッドを除く部分の表面に誘電体層を形成することを含む方法により、キャパシタの一方の絶縁基材を作製すること、
（２）キャパシタの他方の絶縁基材を、（１）と同様に、又は（１）と同様であるがパターン化した導体層の表面に誘電体層を形成せずに、作製すること、
（３）２つの絶縁基材をそれぞれの電極層を外側にして向き合わせ、それらの間に固体電解質材料を挿入し、加圧により固体電解質材料を双方の絶縁基材に密着させて固体電解質層を形成するとともに双方の絶縁基材の結合部材形成用材料どうしを接触させ且つ結合させること、
を含む固体電解キャパシタ製造方法。
【請求項７】
前記絶縁基材の電極層と導体層との接続を、電極層の形成時に前記貫通孔に充填した電極層の材料により行う、請求項６記載の固体電解キャパシタ製造方法。
【請求項８】
前記誘電体層の形成を前記導体層の陽極酸化により行う、請求項６又は７記載の固体電解キャパシタ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを搭載する配線基板あるいは半導体パッケージに内蔵できる薄型の固体電解キャパシタとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵ等の半導体チップを搭載する配線基板あるいは半導体パッケージには、半導体チップに供給する電源電圧の変動を抑えるためのキャパシタ（デカップリングキャパシタ）が搭載される。例えば、現在市販されているＣＰＵのパッケージには、セラミックチップキャパシタが外付けされている。
【０００３】
近年は、ＣＰＵの動作周波数の高周波化が進んでいるため、より大容量のキャパシタを、よりＣＰＵの近傍に設けることが求められている。キャパシタをＣＰＵに近づけて配置すると、ＣＰＵとキャパシタとを接続する配線のインダクタンスを減少させることができ、配線の電気的特性が向上する。よって、大容量のキャパシタをＣＰＵに近づけて配置することにより、電源電圧の変動を好適に抑えることができる。そこで、キャパシタをＣＰＵの近くに設けるため、配線基板（半導体パッケージ）内部にキャパシタを設けることが考えられている。
【０００４】
例えば、特許文献１、特許文献２には、高容量化が可能な固体電解キャパシタを配線基板内に作り込み、絶縁層内に内蔵した配線基板が開示されている。しかし、固体電解キャパシタを配線基板内に作り込むのは、そのための工程が複雑であり、実際に製品化することは困難である。
【０００５】
特許文献３には、配線基板とは別に形成した単独の電子部品としてのキャパシタを配線基板内に内蔵させることが開示されている。この場合には、キャパシタは、導電性接着ペースト又は導電性接着シートを用いて形成された導電層を介して、基板内部の配線層に接続される。この技術により、電子部品としての固体電解キャパシタを配線基板内に内蔵すれば、工程が複雑で実際に製品化するのが困難であるという、固体電解キャパシタを配線基板内に作り込む上述の技術の難点を克服できると考えられる。
【０００６】
従来の電子部品としての固体電解キャパシタは容量が大きく、実績もあるが、電子部品としてのこれまでの固体電解キャパシタは、例えば特許文献４〜６に記載されたように、キャパシタ素子にリードを取り付け、そしてキャパシタ素子の全体を樹脂封止して製作されるため外形が大きく、厚くなってしまう。そのため、これまでの固体電解キャパシタを薄く形成される配線基板の絶縁層内に内蔵することは難しい。
【０００７】
固体電解キャパシタの固体電解質としては、現在、例えば導電性高分子、ＭｎＯ2、ＴＣＮＱ錯体、あるいはＭｎＯ2と導電性高分子との組み合わせ等の様々な材料が使用されている。導電性高分子は、容量を確保しながらキャパシタの小型化が容易であることから、近年その利用が増加している。導電性高分子で電解質層を形成する方法としては、化学重合法と電解重合法が知られている。
【０００８】
化学重合法は非効率的であり、所定の厚さの電解質層を形成するのに多大の時間を要する。一方、一般にバルブメタルの陽極酸化で形成される誘電体膜上に電解重合法で電解質層を直接形成することは、誘電体膜に通電する必要から誘電体膜の損傷を招くため、行うことができない。そのため、固体電解キャパシタにおいて導電性高分子を固体電解質として使用する場合、通常は、誘電体膜上に長時間かけて化学重合により電解質層を形成してから、この電解質層に通電して電解重合により所定の厚さの電解質層を形成している。このような導電性高分子の固体電解質層の形成工程は、複雑であり、且つ長時間を要する。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２４６２７２号公報
【特許文献２】特開２００２−２６０９６０号公報
【特許文献３】特開２００１−２７４０３４号公報
【特許文献４】特開平６−３１０３８７号公報
【特許文献５】特開平７−２２６３３６号公報
【特許文献６】特開平１１−２８８８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述の従来技術の問題を解決して、配線基板に内蔵でき、配線基板に搭載されるＣＰＵ等の半導体チップの近くに配置することが可能で、且つ固体電解質として導電性高分子を使用する場合にも簡単に製造するのが可能な、薄型の固体電解キャパシタとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体電解キャパシタは、片面に電極層、他面に当該電極層に接続する導体層を有し、電極層を外側に向けて対向し且つ結合部材により互いに結合された一対の絶縁基材と、これらの絶縁基材の間に配置された固体電解質層とを含み、一対の絶縁基材の導体層のうちの少なくとも一方のものと固体電解質層との間に誘電体層の存在することを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記固体電解質は導電性高分子である。好適な導電性高分子は、例えばポリピロール、ポリチオフェン又はポリアニリンである。
【００１３】
好ましくは、導体層の材料はＡｌ又はＴａであり、誘電体層はこの導体層材料の陽極酸化で形成される。
【００１４】
前記絶縁基材は、例えば、表面に絶縁処理を施したシリコン製、又はガラス製でよい。
【００１５】
本発明の固体電解キャパシタは、
（１）貫通孔を備えた絶縁材料の基材の片面に電極層を形成すること、当該基材の他面に、後に形成する結合部材用のパッドを含むパターン化した導体層を形成すること、このパターン化した導体層のパッド上に結合部材形成用の材料を被着すること、当該パターン化した導体層のうちの、少なくとも上記パッドを除く部分の表面に誘電体層を形成することを含む方法により、キャパシタの一方の絶縁基材を作製すること、
（２）キャパシタの他方の絶縁基材を、（１）と同様に、又は（１）と同様であるがパターン化した導体層の表面に誘電体層を形成せずに、作製すること、
（３）２つの絶縁基材をそれぞれの電極層を外側にして向き合わせ、それらの間に固体電解質材料を挿入し、加圧により固体電解質材料を双方の絶縁基材に密着させて固体電解質層を形成するとともに双方の絶縁基材の結合部材形成用材料どうしを接触させ且つ結合させること、
を含む方法により製造することができる。
【００１６】
絶縁基材の電極層と導体層との接続は、例えば、電極層の形成時に基材の貫通孔に充填した電極層の材料により行うことができる。誘電体層の形成は、導体層の陽極酸化により行うのが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、キャパシタの製造工程とは別に作製する、例えばシート状の、固体電解質材料を利用することにより簡単な工程で製造可能な固体電解キャパシタの提供が可能になる。
【００１８】
更に、本発明の固体電解キャパシタは、２つの平行電極の間に誘電体層と固体電解質層を含む積層構造体を挟んだ単純な構造（これまでの単独の電子部品としての固体電解キャパシタのように樹脂封止したキャパシタ素子から引き出したリードを使用しない構造）であり、従来の単品固体電解キャパシタと比べ特に薄型にすることができる。そのため、本発明の固体電解キャパシタは配線基板や半導体パッケージに内蔵するのに好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図面を参照して本発明を説明する。言うまでもなく、以下の説明は本発明の態様の代表例を示すものであって、本発明を限定するものではない。
【００２０】
図１（ａ）に示したように、シリコン基材１１（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）を用意する。このシリコン基材１１の片面にホトレジストパターン（図示せず）を形成し、このパターンをマスクに、シリコン基材１１に開口径０．１ｍｍのビア孔１２を開ける。この孔開けは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を利用して、エッチングガスとしてＳＦ6を使用し、２５００Ｗ、１５Ｐａの条件で行う。孔開けの終了後、ホトレジストパターンを除去し、シリコン基材１１を１０００℃で８時間程度処理して、図１（ｂ）に示したように全面に熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）１１ａを形成する。この熱酸化膜１１ａは、これからの説明で参照する図１（ｃ）以下では簡単にするため示されていない。
【００２１】
図１（ｃ）に示したように、シリコン基材１１の片面とビア孔１２の内壁に、スパッタリングによりＴｉ膜（厚さ０．０１μｍ）（図示せず）とその上のＣｕ膜（０．２μｍ）（図示せず）により構成されるＴｉ／Ｃｕスパッタ層１４を形成する。このときのスパッタ条件は、０．３〜１Ｐａ、１００〜５００Ｗ、Ａｒ雰囲気である。形成したＴｉ／Ｃｕスパッタ層１４を導電層として使用する電解めっきにより、図１（ｄ）に示したようにＴｉ／Ｃｕスパッタ層１４の上面にＣｕ膜１５（厚さ１０μｍ）を形成するとともに、ビア孔１２にＣｕを充填してこれを埋める。
【００２２】
図１（ｅ）に示したように、シリコン基材１１の反対面にスパッタリングによりＡｌ膜１７（厚さ１μｍ）を形成する。このときのスパッタリング条件は、０．３〜１Ｐａ、１００〜５００Ｗ、Ａｒ雰囲気である。次いで、Ａｌ膜１７の上にホトレジストパターン（図示せず）を形成し、これをマスクにスタンフォードエッチング液（リン酸、酢酸、硝酸を含有する水溶液）を使用してＡｌ膜１７をウェットエッチングする。このエッチングにより、図１（ｆ）に示したように基材１１の端面から０．５ｍｍの位置に、ビア孔１２に対応する基材１１の中央部を取り囲むように、０．５ｍｍピッチで８個のパッド２０を形成し、そしてまた基材１１の周辺部のＡｌ膜を除去する。各パッド２０の周囲には、エッチングによりＡｌ膜１７を除去された幅０．０５ｍｍの領域が存在する。エッチング後、ホトレジストパターンを剥離除去する。
【００２３】
次に、各パッド２０の上に高さ５０μｍのＡｕバンプ２１を形成する。Ａｕバンプ２１の形成は、ワイヤーボンダーにより、直径２５μｍのＡｕ線を使用して、１０〜１００ｇ／バンプの加重のもとにステージ温度１００〜２００℃、超音波発振時間２〜２０ｍｓｅｃの条件で行う。
【００２４】
続いて、Ａｌ膜１７をステンレス鋼製の容器（図示せず）内のアジピン酸アンモニウム水溶液（陽極酸化処理液）に浸漬し、そして反対側のＣｕ膜１５を直流電源の正極に接続し、ステンレス鋼の容器を負極に接続して１０〜８０Ｖ程度の電圧を印加し、Ｃｕ膜１５に接続した部分のＡｌ膜１７の陽極酸化処理を行って、その表面に陽極酸化誘電体膜（Ａｌ2Ｏ5膜）１７ａを形成する。
【００２５】
こうして、片面にＴｉ／Ｃｕスパッタ層１４の電極層、他面にＡｌ膜１７とビア孔１２内のＣｕを介してこの電極層に接続する陽極酸化誘電体膜１７ａの誘電体層を有する、キャパシタの一方の絶縁基材２５（図１（ｈ））が得られる。
【００２６】
図１（ｉ）に示したように、この絶縁基材２５を、同じ手順により作製した、絶縁基材２５と同様のもう一方の絶縁基材２６（この絶縁基材２６の各部材は絶縁基材２５のものと同じ符号で表示されている）と、双方の誘電体層１７ａを内側にし、且つそれらの間に導電性高分子（ポリピロール）のシート２８（１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、厚さ６０μｍ）を配置して向き合わせる。この導電性高分子のシート２８は、ステンレス箔上に電解重合で形成して剥離することにより予め用意しておく。例えば、ポリピロールの導電性高分子シートは、ステンレス箔などの基材をピロールモノマーを含む電解重合液に浸漬し、このステンレス箔を陽極、重合液中の別のステンレス鋼板を陰極とする電解重合を行ってステンレス箔上にポリピロール膜を形成し、その後ステンレス箔からこの膜を剥離することにより容易に得ることができる。一度に大きな膜を作製して、それからキャパシタで必要とする小さな寸法の個別のシートを得ることが可能である。
【００２７】
続いて、図１（ｊ）に示したように、上方の絶縁基材２５に５０ｇ〜１ｋｇの加重をかけ、導電性高分子のシート２８をプレスしながら２つの絶縁基材２５、２６の向き合ったＡｕバンプ２１どうしを接触させ、そして発振時間１０〜８０ｍｓｅｃの超音波接続処理によりそれらを接合して結合部材２１ａを形成し、これにより上下の絶縁基材２５、２６を結合させる。
【００２８】
最後に、図１（ｋ）に示したように、結合した上下の絶縁基材２５、２６の間の空隙に絶縁性樹脂２９を充填して外周部の樹脂封止を行い、本発明の固体電解キャパシタ３０を完成する。
【００２９】
次に、本発明の固体電解キャパシタのもう一つの例を説明する。この例の固体電解キャパシタは、２つの絶縁基材用のシリコン基材１１の代わりにガラス基材を用いることを除いて、先に説明した例のキャパシタと同様である。
【００３０】
具体的に説明すると、この例の場合には、シリコン基材１１（図１（ａ））と同じ寸法（２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）のガラス基材を用意し、その片面に形成したホトレジストパターンをマスクに、粒子径が＃６００〜＃２５００の研摩材を使用し圧力０．５〜２ＭＰａでサンドブラスト処理して、開口径０．１ｍｍのビア孔を開ける。ガラス基材は、それ自体が絶縁性のため、先の例で使用したシリコン基材のようにその全面に酸化膜を形成するといった絶縁処理を行わずに、図１（ｃ）〜図１（ｋ）を参照して先に説明した工程に従って固体電解キャパシタを製造することができる。
【００３１】
図１（ｋ）に示したように、本発明の固体電解キャパシタでは、片面に電極層１４、他面にこの電極層に接続する誘電体層１７ａを有し、且つ、電極層１４を外側に向けそして固体電解質層を間に挟んで対向する一対の絶縁基材２５、２６が、双方の絶縁基材２５、２６のＡｕバンプ２１（図１（ｉ））の接合により形成した結合部材２１ａによって結合されている。この結合部材２１ａは、双方の絶縁基材２５、２６を強固に結合させるとともに、それらの所定の間隔を保持する役を担うものである。
【００３２】
これまでの単独の電子部品としての固体電解キャパシタのように全体を樹脂封止したキャパシタ素子から引き出したリードを使用しない構造の本発明の固体電解キャパシタは、従来の固体電解キャパシタと比べ特に薄型にすることができ、配線基板に内蔵するのが容易である。図２に、本発明のキャパシタを内蔵した配線基板の一部分を例示する。この図の例では、コア基板６０の上に絶縁層６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄが位置し、コア基板６０上と各絶縁層６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ上に配線６４が形成され、コア基板６０の両面の配線はスルーホール６６で、またコア基板６０の片側の各層の配線はビア６８で相互に接続されている。本発明の固体電解キャパシタ７０は、絶縁層６２ｂの上の絶縁層６２ｃ中に埋め込まれている。このキャパシタ７０の一方の電極（図示せず）は上面、もう一方の電極（図示せず）は下面に露出しており、それぞれ上層及び下層の配線に接続されている。
【００３３】
本発明の固体電解キャパシタでは、既に説明した態様のほかにも様々な態様が可能である。例えば、絶縁基材としては、硬質で絶縁性を備える任意の材料を使用可能である。先に説明したシリコン基材の例では、絶縁性にするため全面の熱酸化処理を行っているが、例えばＣＶＤ法などで全面に絶縁材料を被着させる方法を使用するのも可能である。表面に誘電体層を形成する材料には、陽極酸化が可能な任意の材料が使用可能であり、先の例で使用したＡｌ以外に、例えばＴａ等のバルブ金属を用いてもよい。固体電解質層には、対向する一対の絶縁基板を結合する際のプレス処理で変形可能な固体電解質材料を使用することができ、代表例がポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン等の導電性高分子材料である。導電性高分子材料は、配合を調整することにより弾性を調節し、隣接する誘電体層との密着性の確保を可能にすることもできる。一対の絶縁基材を結合する結合部材は、絶縁基材への接合と結合部材どうしの接合が容易な任意の材料で製作することができ、例えば、先の例で使用したＡｕを始めとして、各種はんだ類（Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだその他）などを使用することができる。２つの絶縁性基材で異なる材料を使用する（例えば、一方の基材でＡｕを使用し、他方ではんだを使用する）ことも可能である。一方又は両方の基材の結合部材にはんだを使用する場合にはリフローにより、両方の基材の結合部材にＡｕを使用する場合は超音波を利用して、接合することができる。
【００３４】
場合によっては、キャパシタの一方の絶縁基材にだけ誘電体層が存在する態様も可能である。このような態様の固体電解キャパシタは、先に説明したように導体層としてのＡｌ膜１７の陽極酸化で形成した誘電体膜１７ａ（図１（ｈ））を持つ一方の絶縁基材と、誘電体膜を形成していない導体層のＡｌ膜１７（図１（ｇ））を持つだけのもう一方の絶縁基材を使用して、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１（ａ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｂ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｃ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｄ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｅ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｆ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｇ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｈ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｉ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｊ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図１（ｋ）】本発明の固体電解キャパシタの製造を説明する図である。
【図２】本発明の固体電解キャパシタを内蔵した配線基板の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１    シリコン基材
１１ａ    熱酸化膜
１２    ビア孔
１４    Ｔｉ／Ｃｕスパッタ層
１５    Ｃｕ膜
１７    Ａｌ膜
１７ａ    陽極酸化誘電体膜
２１    Ａｕバンプ
２１ａ    結合部材
２５、２６    絶縁基材
２８    導電性高分子シート
２９    絶縁性樹脂
３０、７０    固体電解キャパシタ
【図１（ａ）】
2005353963.tif 000003
【図１（ｂ）】
2005353963.tif 000004
【図１（ｃ）】
2005353963.tif 000005
【図１（ｄ）】
2005353963.tif 000006
【図１（ｅ）】
2005353963.tif 000007
【図１（ｆ）】
2005353963.tif 000008
【図１（ｇ）】
2005353963.tif 000009
【図１（ｈ）】
2005353963.tif 000010
【図１（ｉ）】
2005353963.tif 000011
【図１（ｊ）】
2005353963.tif 000012
【図１（ｋ）】
2005353963.tif 000013
【図２】
2005353963.tif 000014